Feuchtetauscher und Brennstoffzellenanordnung mit einem solchen

Die Erfindung betrifft einen Feuchtetauscher zur Feuchtigkeitsübertragung zwischen zwei Gasen, mit einer Mehrzahl an Hohlfasermembranen. Ferner betrifft die Erfindung eine

Brennstoffzellenanordnung mit einem solchen.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: Stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H ₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H ₂ zu H ⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H ⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges

Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von 0 ₂ zu O ^2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen

Energiewandlern aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen höheren Wirkungsgrad bei niedrigen Prozesstemperaturen.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nation; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brenn- stoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160 °C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.

Die DE 10 2004 022 310 B4 offenbart ein Feuchtigkeitsaustauschmodul mit in einem Bündel angeordneten Hohlfasermembranen. Mittig des Bündels verläuft in axialer Richtung ein perforiertes Rohr durch das Bündel, welches in der Mitte seiner axialen Ausdehnung mit einem Sperrelement verschlossen ist. Auch die zwischen den Hohlfasermembranen vorgesehenen Hohlräume des Bündels sind in der Mitte der axialen Ausdehnung des Bündels mit einem Sperrelement verschlossen. Im Betrieb durchströmt das feuchte Abgas der Brennstoffzelle die einzelnen Hohlfasermembranen. Die der Brennstoffzelle zugeführte, zu befeuchtende Luft strömt über eines seiner Enden in das Rohr ein, verlässt das Rohr noch vor dem Sperrelement über die Perforation und durchströmt die Hohlräume des Bündels teils radial und teils axial nach außen. Anschließend umströmt die zu befeuchtende Luft das Sperrelement im Bündel und strömt wiederum teils radial, teils axial durch die Hohlräume auf der anderen Seite des

Sperrelements zur Perforation des Rohres. Dadurch wird eine Mischung aus einem Kreuzstrom- und einem Gegenstrom Feuchtetauscher realisiert.

DE 10 2008 028 832 A1 offenbart einen Befeuchter, welcher Hohlfasern umfasst, die in Lagen angeordnet sind und durch ein Verbindungsmittel fixiert sind, welches in mehreren Spuren auf den Lagen angeordnet ist. Diese Spuren sind dabei quer zu den Hohlfasern ausgerichtet. Durch die Spuren wird eine labyrinthartige Strömungsführung erreicht.

Ferner ist gemäß Figur 1 ein Feuchtetauscher 10 mit einer Vielzahl an Hohlfasern 12 bekannt, welcher nach einem Kreuzstromprinzip ausgelegt ist. Beim Betrieb des Feuchtetauschers 10 strömt in offene Enden 13 der Hohlfasern 12 ein zu entfeuchtendes Gas 14 ein und durchströmt die Hohlfasern 12. Aus gegenüberliegenden offenen Enden 13 der gleichen Hohlfasern 12 strömt das entfeuchtete Gas 16 aus den Hohlfasern 12 aus. Ein zu befeuchtendes Gas 18 strömt in einen Einlasssammler 20 ein, und verteilt sich im Einlasssammler 20 über die Länge und Breite der Hohlfasern 12, von wo aus das zu befeuchtende Gas 18 die Außenflächen der Hohlfasern 12 bis hin zu einem Auslasssammler 22 umströmt. Das befeuchtete Gas 24 verlässt den Feuchtetauscher 10 anschließend über den Auslasssammler 22.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtetauscher mit einem erhöhten Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird ein Feuchtetauscher zur Feuchtigkeitsübertragung zwischen zwei Gasen, mit einer Mehrzahl an Hohlfasermembranen zur Verfügung gestellt. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass der Feuchtetauscher wenigstens eine Trennwand umfasst, welche zwischen den Hohlfasermembranen angeordnet ist und die Mehrzahl an Hohlfasermembranen zumindest in einem Teilbereich ihrer Längserstreckung in parallelgeschaltete Bereiche unterteilt.

Dadurch, dass die wenigstens eine Trennwand zwischen den Hohlfasermembranen angeordnet ist und die Mehrzahl an Hohlfasermembranen zumindest in einem Teilbereich ihrer

Längserstreckung in parallelgeschaltete Bereiche unterteilt, wird in diesem Teilbereich eine Hauptströmungsrichtung einer im Betrieb auftretenden Strömung an den Außenflächen der Hohlfasermembranen im Wesentlichen durch die wenigstens eine Trennwand vorgegeben. Somit kann auf einfache Art und Weise ein Feuchtetauscher geschaffen werden, welcher nach dem Gegenstromprinzip betrieben werden kann. Unter dem Gegenstromprinzip wird analog zu Wärmetauschern verstanden, dass eine Hauptströmungsrichtung einer Strömung durch Hohlräume im Inneren der Hohlfasermembranen entgegen einer Hauptströmungsrichtung einer Strömung an den Außenflächen der Hohlfasermembranen orientiert ist. Durch das

Gegenstromprinzip wird der Wirkungsgrad des Feuchtetauschers erhöht, wodurch dieser kompakter ausgeführt werden kann.

Die Strömungen durch die Hohlräume im Inneren der Hohlfasermembranen und an den Außenflächen der Hohlfasermembranen sind typischerweise Gasströmungen, wobei eine der Gasströmungen eine höhere Konzentration an Wasser (Wasserdampf) aufweist als die andere. Die Hohlfasermembranen sind wasserpermeable Membranen. Unter einer Hohlfasermembran kann somit eine zylinderförmige Faser verstanden werden, welche im Querschnitt durchgängige Kanäle aufweist, welche den inneren Hohlraum der Hohlfasermembran mit der Außenfläche der Hohlfasermembran verbindet. Die Mehrzahl an Hohlfasermembranen ist vorzugsweise gleichsinnig angeordnet. Das heißt, die Hohlfasermembranen können als Bündel oder als Stapel angeordnet sein. Mit anderen Worten können die Hohlfasermembranen als Faserpaket angeordnet sein. Durch die gleichsinnige Anordnung ergeben sich vorteilhafte Strömungsverhältnisse in den Hohlräumen innerhalb der Hohlfasermembranen als auch in Hohlräumen zwischen den Hohlfasermembranen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine

Trennwand die parallelgeschalteten Bereiche im Teilbereich gasdicht voneinander trennt. Somit wird jegliche Querströmung zwischen den parallelgeschalteten Bereichen verhindert und im Teilbereich ein reiner Gegenstromfeuchtetauscher realisiert.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Feuchtetauscher einen insbesondere seitlich der Mehrzahl an Hohlfasermembranen angeordneten Einlass und/oder einen insbesondere seitlich der Mehrzahl an Hohlfasermembranen angeordneten Auslass zur Beaufschlagung von Außenflächen der Hohlfasermembranen mit einem Gas aufweist. Somit sind der Einlass und/oder der Auslass strömungstechnisch mit den Außenflächen der

Hohlfasermembranen verbunden. Durch die Anordnung des Einlasses und/oder des Auslasses seitlich der Mehrzahl an Hohlfasermembranen können kompakte Außenmaße des

Feuchtetauschers bei einem gleichzeitig verringerten Materialaufwand realisiert werden.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die parallelgeschalteten Bereiche in Reihe nebeneinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise der seitliche Einlass und/oder der seitliche Auslass an einem Ende dieser Reihe angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass z. B. ausgehend vom Einlass die Strömung um die Außenflächen der Hohlfasermembranen die parallelgeschalteten Bereiche nacheinander erreicht. Somit wird mittels der wenigstens einen Trennwand ein besonders effektiver Gegenstromfeuchtetauscher realisiert, bei welchem mittels der Trennwand zudem besonders einfach Totzonen in der Umströmung der Außenflächen verhindert oder zumindest vermindert werden können.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der seitliche Einlass und der seitliche Auslass an gegenüberliegenden Enden der Reihe angeordnet sind. Somit sind der Einlass und der Auslass auch auf gegenüberliegenden Seiten der Mehrzahl an Hohlfasermembranen angeordnet. Damit legen die Strömungen durch die parallelgeschalteten Bereiche gleich lange Wege zurück, sodass die parallelgeschalteten Bereiche strömungstechnisch gleichgestellt sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich eine durchströmbare Querschnittsfläche ausgehend von dem seitlichen Einlass und/oder dem seitlichen Auslass hin zu einem vom Einlass und/oder vom Auslass am weitesten entfernten parallelgeschalteten Bereich zunehmend verringert. Bevorzugt sind die Werte der

Querschnittsflächen ausgehend vom Einlass und/oder vom Auslass hin zu einem am weitesten entfernten parallelgeschalteten Bereich somit (streng) monoton fallend. Durch diese

Ausgestaltungen wird sichergestellt, dass eine durchströmbare Querschnittsfläche, welche den Einlass und/oder den Auslass mit den parallelgeschalteten Bereichen verbindet, entsprechend dem Volumenstrom angepasst ist. Somit kann eine Strömungsgeschwindigkeit zwischen dem Einlass und/oder dem Auslass und den parallelgeschalteten Bereichen möglichst konstant gehalten werden, wodurch Verluste verringert werden.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der seitliche Einlass und der seitliche Auslass an gegenüberliegenden Enden der Längserstreckung der Mehrzahl an Hohlfasermembranen angeordnet sind. Somit wird die Länge der Hohlfasermembranen optimal zur Feuchteübertragung ausgenutzt.

Vorzugsweise ist die wenigstens eine Trennwand in einer Längserstreckungsrichtung der Hohlfasermembranen zwischen dem seitlichen Einlass und dem seitlichen Auslass angeordnet. Dadurch werden Strömungsumlenkungen vermieden und somit ein Druckverlust minimiert.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Feuchtetauscher zwischen dem Einlass und/oder dem Auslass und den Hohlfasermembranen jeweils einen Sammler aufweist. Der Sammler weist in Richtung der Längserstreckung der Mehrzahl an Hohlfasermembranen vorzugsweise maximal die Ausdehnung des Einlasses und/oder Auslasses auf. Ferner kann die Ausdehnung des Sammlers die Ausdehnung des Einlasses und/oder Auslasses in Richtung der

Längserstreckung der Mehrzahl an Hohlfasermembranen auch um maximal 100 %,

insbesondere maximal 50 %, vorzugsweise maximal 25 % übersteigen. Ferner erstreckt sich der Sammler vorzugsweise über die gesamte Breite der Mehrzahl an Hohlfasermembranen. Dadurch ist es möglich, das zu befeuchtende Gas über die gesamte Breite des

Feuchtetauschers zu verteilen, und dieses die gesamte Länge der Hohlfasermembranen umströmen zu lassen.

Ferner wird eine Brennstoffzellenanordnung umfassend einen erfindungsgemäßen

Feuchtetauscher zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzellenanordnung zeichnet sich aufgrund des hohen Wirkungsgrads des Feuchtetauschers besonders durch ihren kompakten Aufbau aus.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Außenflächen der Mehrzahl an Hohlfasermembranen des Feuchtetauschers derart mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung strömungstechnisch verbunden sind, dass der Feuchtetauscher als Gegenstromfeuchtetauscher betreibbar ist. Somit wird im Betrieb der Brennstoffzelle dem Abgas der Brennstoffzelle bei der Brennstoffzellenreaktion entstandenes Wasser mittels des Feuchtetauschers entzogen und einem Frischluftstrom zugeführt. Dadurch wird eine ausreichende Befeuchtung einer Membran der Brennstoffzelle sichergestellt. Durch den Betrieb des Feuchtetauschers als Gegenstromfeuchtetauscher wird ein optimaler

Wirkungsgrad erreicht.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen

Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Feuchtetauscher gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2 neren Aufbau eines Feuchtetauschers gemäß einer bevorzugten

Ausgestaltung der Erfindung;

Figur 3 einen Feuchtetauscher gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der

Erfindung;

Figur 4 einen weiteren Feuchtetauscher gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der

Erfindung; und

Figur 5 eine Brennstoffzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der

Erfindung. Auf Figur 1 wurde bereits bezüglich des Stands der Technik eingegangen.

Figur 2 zeigt einen inneren Aufbau eines Feuchtetauschers 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Eine Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 kann zu einem Faserpaket angeordnet in einem Gehäuserahmen 26, welcher Teil eines Gehäuses 29 ist, z. B. eingegossen sein. Die Hohlfasermembranen 12 weisen an ihren beiden Enden jeweils ein offenes Ende 13 auf, welches durch den Gehäuserahmen 26 geführt ist. Ferner weisen die Hohlfasermembranen 12 Außenflächen 15 auf, welche mittels nicht dargestellter Kanäle mit zwischen den offenen Enden 13 angeordneten Hohlräumen im Inneren der

Hohlfasermembranen 12 verbunden sind. Durch die Kanäle tritt im Betrieb des

Feuchtetauschers 10 Wasser (H ₂ 0) durch die Hohlfasermembranen 12 an deren Außenflächen 15. Das Wasser stammt von einem zu entfeuchtenden Gas 14, welches auf ein zu

befeuchtendes Gas 18 übertragen wird.

Figur 3 zeigt einen Feuchtetauscher 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Der aus Figur 2 bekannte Gehäuserahmen 26 kann nach oben und unten hin mit

Gehäusedeckeln 28 abgeschlossen sein, welche einen seitlich der Mehrzahl an

Hohlfasermembranen 12 angeordneten Einlass 30 und/oder einen seitlich der Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 angeordneten Auslass 32 zur Beaufschlagung von Außenflächen 15 der Hohlfasermembranen 12 aufweist. Die Außenflächen 15 der Hohlfasermembranen 12 befinden sich somit in einem bis auf den Einlass 30 und den Auslass 32 geschlossenen Gehäuse 29, welches den Gehäuserahmen 26 und die Gehäusedeckel 28 umfasst. Zur vereinfachten Darstellung ist das Gehäuse in Figur 3 teiltransparent dargestellt. Der Einlass 30 und der Auslass 32 sind in ihrer einfachsten Ausgestaltung durchgehende Öffnungen in einer Wandung des Gehäuses 29. Ferner können der Einlass 30 und/oder der Auslass 32 auch derart ausgebildet sein, dass das zu befeuchtende Gas 18 über die gesamte Breite der Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 verteilt wird und/oder das befeuchtete Gas 24 über die gesamte Breite der Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 gesammelt wird.

In Figur 3 sind erfindungsgemäße Trennwände 34 ersichtlich, welche zwischen den

Hohlfasermembranen 12 angeordnet sind. Die Trennwände 34 unterteilen die Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 zumindest in einem Teilbereich 36 ihrer Längserstreckung in parallelgeschaltete Bereiche 38. Ferner unterteilen die Trennwände 36 die Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 auf ihrer gesamten Breite. Im Beispiel erstrecken sich die Trennwände 34 von einer Seite des Gehäuses 29 bis zu einer gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 29 und sind gasdicht ausgeführt. Dadurch sind die parallelgeschalteten Bereiche 38 im Teilbereich 36 mittels der Trennwände 34 gasdicht voneinander getrennt. Die Trennwände 34 können in das Gehäuse, insbesondere den Gehäuserahmen 26, welcher z. B. aus einem Kunstharz gebildet wird, eingegossen sein.

Es ist ersichtlich, dass die parallelgeschalteten Bereiche 38 in Reihe nebeneinander angeordnet sind, wobei der seitliche Einlass 30 und der seitliche Auslass 32 auf gegenüberliegenden Enden dieser Reihe angeordnet sind. Ferner ist ersichtlich, dass der seitliche Einlass 30 und der seitliche Auslass 32 an gegenüberliegenden Enden der Längserstreckung der Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 angeordnet sind. Ferner sind die Trennwände 34 zwischen dem seitlichen Einlass 30 und dem seitlichen Auslass 32 angeordnet.

Durch die Trennwände 34 werden verglichen mit einem Feuchtetauscher ohne die Trennwände 34 strömungstechnische Totzonen 40 (also Bereiche welche nur schlecht oder gar nicht durchströmt sind) wirksam verringert.

In Figur 4 ist der innere Aufbau eines Feuchtetauschers 10 gemäß einer bevorzugten

Ausgestaltung der Erfindung noch genauer ersichtlich. Der in Figur 4 ersichtliche

Feuchtetauscher 10 unterscheidet sich von jenem in Figur 3 dadurch, dass die Trennwände 34 versetzt zueinander angeordnet sind. Der Versatz ist derart ausgebildet, dass sich eine durchströmbare Querschnittsfläche 39 ausgehend von dem seitlichen Einlass 30 hin zu einem vom Einlass 30 am weitesten entfernten parallelgeschalteten Bereich 38 zunehmend verringert. Ferner verringert sich auch eine durchströmbare Querschnittsfläche 39 ausgehend von dem seitlichen Auslass 32 hin zu einem vom Auslass 32 am weitesten entfernten

parallelgeschalteten Bereich 38 zunehmend. Durch diese Ausgestaltung können Totzonen 40 weiter verringert werden, da jene Trennwände 34, welche den Totzonen 40 am nächsten sind, weiter an die Totzonen 40 herangeführt werden können. Die in den Figuren 2 und 4

dargestellten Hohlfasermembranen 15 können auch einen lose gewellten Verlauf aufweisen.

Figur 5 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 50 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Brennstoffzellenanordnung 50 umfasst eine Brennstoffzelle 52, welche eine Kathodenseite 54 und eine Anodenseite 56 aufweist. Die Außenflächen 15 der

Hohlfasermembranen 12 sind mit einem Kathodeneingang 58 der Brennstoffzelle 52 verbunden und die offenen Enden 13 der Hohlfasermembranen 12 sind mit einem Kathodenausgang 60 der Brennstoffzelle 52 strömungstechnisch verbunden. Die Brennstoffzellenanordnung 52 kann zur Stromversorgung eines Elektromotors zum Antrieb eines nicht dargestellten Fahrzeugs dienen. Folgend soll die Funktionsweise des Feuchtetauschers 10 und der Brennstoffzellenanordnung 50 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erläutert werden.

Im Betrieb wird die Brennstoffzelle 52 über die Anodenseite 56 mit einem Brennstoff, z. B. Wasserstoff versorgt. Über die Kathodenseite 54 wird der Brennstoffzelle 52 Frischluft

(Reaktionsluft) zugeführt. Um eine Polymerelektrolytmembran (PEM) der Brennstoffzelle 52 vor einer Austrocknung zu bewahren, wird die zugeführte Frischluft befeuchtet. Dies erfolgt mittels des Feuchtetauschers 10, welcher einem Abgasstrom der Brennstoffzelle 52, also dem zu entfeuchtenden Gas 14, Feuchtigkeit entzieht und dem Frischluftstrom, also dem zu

befeuchtenden Gas 18 die Feuchtigkeit zuführt. Die im Abgasstrom vorhandene Feuchtigkeit stammt dabei aus der Brennstoffzellenreaktion und wird mittels des Feuchtetauschers 10 der Brennstoffzelle 52 wieder zugeführt.

Die Übertragung der Feuchtigkeit erfolgt mittels des Feuchtetauschers 10, indem das zu entfeuchtende Gas 14 durch die offenen Enden 13 an einem Ende der Hohlfasermembranen 12 einströmt, die Hohlfasermembranen 12 durchströmt und durch die offenen Enden 13 am anderen Ende der Hohlfasermembranen 12 als entfeuchtetes Gas 16 verlässt. Innerhalb der Hohlfasermembranen 12 kondensiert die Feuchtigkeit durch Kapillarkondensation in den Kanälen, welche die Außenflächen 15 mit dem inneren Hohlraum der Hohlfasermembranen 12 verbinden. In den Einlass 30 tritt das zu befeuchtende Gas 18 ein und umströmt die

Außenflächen 15 der Hohlfasermembranen 12. Beim Umströmen der Außenflächen verdunstet die in den Kanälen kondensierte Feuchtigkeit und wird von der Strömung mitgenommen.

Gleichzeitig verschließt das kondensierte Wasser die Kanäle gasdicht. Das befeuchtete Gas 24 verlässt den Feuchtetauscher 10 über den Auslass 32 und wird in Folge der Brennstoffzelle 52 zugeführt.

Die Feuchtetauscher 10 gemäß den Figuren 3 und 4 unterscheiden sich gegenüber den bisher bekannten Feuchtetauschern (z. B. gemäß Figur 1 ) dadurch, dass mittels der erfindungsgemäß angeordneten Trennwände 34 nun ein Betrieb nach dem Gegenstromprinzip ermöglicht wird. Zu diesem Zweck ist in den parallelgeschalteten Bereichen 38 eine Hauptströmungsrichtung des zu befeuchtenden Gases 18 außerhalb der Hohlfasermembranen 12 entgegengesetzt orientiert wie eine Hauptströmungsrichtung des zu entfeuchtendes Gases 14 innerhalb der Hohlfasermembranen 12. Die Strömungsführung der beiden Gase 14, 18 hat einen entscheidenden Einfluss auf eine Konzentrationsdifferenz des Wassergehalts der beiden Gase 14, 18, welche über den Membranen der Hohlfasermembranen 12 anliegt. Gegenüber der bisher realisierten

Kreuzstromführung gemäß Figur 1 bietet die Gegenstromführung nun den Vorteil, dass die Konzentrationsdifferenz zwischen den beiden Gasen 14, 18 unabhängig von der Position im Feuchtetauscher 10 annähernd konstant ist, während sie bei der Kreuzstromführung mit zunehmendem Wasseraustausch geringer wird. Zudem weist der Feuchtetauscher 10 gemäß Figur 1 eine zwischen dem Einlass und dem Auslass gemittelte Hauptströmungsrichtung 42 außerhalb der Hohlfasermembranen 12 auf, welche den Nachteil mit sich bringt, dass relativ große Teilbereiche der Außenflächen 15 nicht umströmt werden und dadurch relativ große Totzonen 40 entstehen.

Mittels der erfindungsgemäßen wenigstens einen Trennwand 34, welche als Unterteilung der Mehrzahl an Hohlfasermembranen 12 fungiert, werden zum einen die Totzonen 40 (also die nicht genutzten Teile der Hohlfasermembranen 12) verringert und zum anderen die Strömung so ausgerichtet, dass sich eine Gegenstromführung im Feuchtetauscher 10 einstellt.

Bezugszeichenliste Feuchtetauscher

Hohlfasermembrane

offenes Ende einer Hohlfasermembrane

zu entfeuchtendes Gas

Außenfläche einer Hohlfasermembrane

entfeuchtetes Gas

zu befeuchtendes Gas

Einlasssammler

Auslasssammler

befeuchtetes Gas

Gehäuserahmen

Gehäusedeckel

Gehäuse

Einlass

Auslass

Trennwand

Teilbereich der Längserstreckung der Mehrzahl an Hohlfasermembranen parallelgeschaltete Bereiche

durchströmbare Querschnittsfläche

Totzone

reale Hauptströmungsrichtung

Brennstoffzellenanordnung

Brennstoffzelle

Kathodenseite

Anodenseite

Kathodeneingang

Kathodenausgang